物联网在钢板粮仓设计中的应用

2022-10-10王洪强张银平

农机使用与维修 2022年8期

0 引言

“民以食为天”，粮食损耗是一种隐性问题，如何提高粮食的存储质量和延长粮食的存储时间已成为急需解决的问题

。粮食损耗的主要原因有收获作业的损耗，如收获脱粒不彻底、收获破损多、残粒多，运输过程损耗、长时间、远距离运输损耗大，存储过程中发霉变质、自然氧耗过多，加工脱皮过程中损耗大，以及浪费多等问题。本文主要讨论粮食存储过程中损耗过多的问题，其核心在于实时监控粮仓内环境条件，合理调整各类环境参数，才能解决粮仓内的粮食因种类、气候、地域环境等外部条件和粮仓内部条件不断变化而引起的有氧损耗和腐蚀变质问题。

目前，国内大型粮食企业存储设备较多采用的是钢板仓类，农业合作社和大农户使用钢板粮仓也呈上升趋势。钢板粮仓相较于传统粮食存放方式，密闭性相对较好，结构牢固，防鼠、防虫、防潮更有优势。钢板粮仓其优点是能够把仓内温湿度等影响粮食存储质量的关键参数控制在合理范围内，从而大大延长存储时间、提高存储质量。

钢板粮仓目前自动化程度仍不高，其仓储过程操作复杂，特别缺少远程监控与控制功能。通过多种传感器采集粮仓内的环境信息，使用物联网模块将粮仓内的各类数据发送至云端服务器，并通过移动终端远程对粮仓的通风设备进行自动化控制，可以实现对粮仓内环境条件的实时监控和管理，从而达到减损的目的。

1 研究成果和意义

1.1 国内外研究现状

早期的粮仓环境监测主要是人工对温湿度进行抽检，这种方式欠缺时效性，效率低而且准确性差，已经不能适应现代化要求。当监测到环境不符合存储条件时，再进行大规模倒粮。而钢板粮仓能够通过移动风机等改变存储环境，从而大大节省劳动力。

所谓生物油是指通过快速加热的方式在隔绝氧气的条件下使组成生物质的高分子聚合物裂解成低分子有机物蒸气，并采用骤冷的方法，将其凝结成液体。目前，微藻生物油的制备主要有热解和水热液化两种方式[44]。

钢板粮仓技术兴起于欧美，到1982年，黑龙江省洪河农场开始使用钢板式粮食仓储系统。随着技术的发展，粮仓内开始加装检测设备，并在粮仓底部加装加热通风装置，以调整钢板仓内环境条件，使温度维持在5～15 ℃，减缓粮食损耗。到20世纪80年代后期，出现了温湿度检测系统，通过布置温湿度传感器，检测粮仓内部的温度和湿度，但故障率高，精度有限。进入20世纪90年代后，出现了串行数据总线和集成电路控制系统，进一步提高了稳定性和精度。近年来，物联网技术应用越来越广泛，这使得钢板粮仓物联网控制已成为可能。

1.2 物联网应用到钢板仓中的意义

发达国家的产粮大国，其钢板仓粮食储存与监控技术已经比较完善和成熟。通过使用各类传感器与微控制系统相结合，把模拟量转化成数字信号，并进行指令控制。由于数字信号的抗干扰性强，可以进行远距离传输，能够保障数据传输的准确性和精准性，使整个系统的稳定性增强。对于粮食存储安全特别是温湿度环境监控、通风调节的控制方面，通过上位机、传输系统、下位机的方式，也逐渐实现自动化、远程化、数据化。

数据库是实现大数据统计的基础，为降低运营成本，采用云端数据库。利用云端数据库大容量高速度的特性，实现大数据的采集、分析、处理。通过大数据，为后期钢板粮仓仓储研究提供了数据支撑。通过数据库对数据进行处理，发送至手机APP端实现实时监控和对下位通风模块控制。钢板粮仓存储主要通过通风干燥来保证粮食存储安全。鼓风机主要负责通风，加热模块降低水分含量

。根据不同类型粮食存储情况，合理确定通风加热时间，采用自动控制，降低劳动强度。

目前，钢板粮仓市场规模迅速扩大，也有一部分数据监测与自动控制技术，主要应用于大型粮食收储企业，系统结构复杂，造价高。随着农业合作社和大农户的兴起，钢板粮仓应用越来越多，也是粮食存储的趋势，未来将呈现井喷式发展。面向农业合作社和大农户的钢板粮仓大数据采集和控制技术还不够成熟，特别是面向普通农民使用手机APP监测和控制的技术较少。本方案是模拟粮仓环境，通过各类传感器采集相应的数据，并使用IoT技术发送数据，云端服务器汇总数据并对数据进行分类处理，手机APP显示数据并发送控制指令，控制系统调节粮仓内温湿度。通过不同环境设置，模拟粮仓内部各类情况，验证传感器采集数据准确性，IoT发送数据准确性，云端服务器收集数据分析处理数据可靠性，手机APP查看数据并指令控制，控制系统对粮仓内部进行温湿度调节。

钢板仓内环境参数的变化主要受储存粮食的影响。不同粮食种类、不同地区、不同环境温度、不同时间需要的储藏环境各不相同。通过收集仓内环境参数变化，形成农业大数据，可以作为分析研究延长农产品储存时间，求解最优农产品存储环境参数提供依据。目前，我国粮食产量连年丰收，各地收获存储粮食方式各有不同，通过整体的大数据方式收集各类不同参数，能为我国大范围高层次的粮食存储实现大数据收集、分析、共享、决策等不同功能，为藏粮于技提供技术支撑和数据支持。

2 发展趋势

根据我国粮食保护法规定，需要每个月对粮食储存环境进行定期抽样检查。在以往的生产中，大多采用人工检测，这种检测方法，费时、费工、费力，还会因为检查取样不彻底造成漏检问题，无法测量存储核心区域温湿度变化，容易造成粮食发霉变质，是粮食在存储环节损耗的主要原因。因此，通过物联网实时发送钢板仓内环境参数，精准控制是经济、高效和必要的。不同的粮食适宜的存储环境是不一样的，主要影响参数有温度、湿度等。配合传感器参数，通过云数据，发送到手机端，使用下位机直接控制通风加热装置，根据环境的温湿度等自动判断是否需要加热，能够降低工作强度，提高工作效率。

但是现有的设计在使用中仍面临着诸多问题，例如，仓内环境数据实时获取困难、不能够手机端远程查看粮食存储情况、个人服务器成本高等。本设计借助云端服务器，使用SQL数据库收集仓内大数据并设计了基于Android的手机APP，能够及时监控仓内环境，并通过手机端APP可以发送简短的控制指令，实现了粮食存储的远程和自动化控制。

3 结构设计

3.1 设计理念

通过不同环境设置，模拟粮仓内部各类情况，验证传感器采集数据准确性、IoT发送数据准确性、云端服务器收集数据分析处理数据可靠性，手机APP查看数据并指令控制，控制系统对粮仓内部进行温湿度调节。

主要思路为制作钢板粮仓数据采集装置，包括传感器、物联网模块、下位控制模块、云端服务器、手机端APP软件等，能够模拟钢板粮仓内环境数据变化，控制通风加热。配置云端服务器，实现钢板粮仓内部数据收集、整理、分析。通过手机APP数据，及时了解钢板粮仓内部情况，手机端APP控制下位通风系统，实现远距离控制。

钢板粮仓的结构相对于大型粮库仓储来说不算庞大，其直径多为几米到十几米，仓储容量从几百吨到千余吨，万吨级农户较少使用。多数农业合作社使用的是多个粮仓组团的方式进行存储。对于单个钢板仓，主要结构有钢板仓本体、通风加热装置、进粮口、出粮口等。其内部空间小，传感器布置量不宜过多。对于组团式钢板仓群体，可以使用设备互联的方式进行组网式连接，形成数据收集和控制共用一端的方法，这样可以大大节省各单个钢板仓物联网模块布局和联网成本。从单个钢板粮仓来说，主要布置湿度传感器、温度传感器和CO

传感器，温湿度对于存储来说是重要参数，布置过多成本高，布置过少检测不到位，合理布置传感器是一项重要内容。传感器收集的数据必须进行汇总处理与发送，采用ZigBee技术的CC2530模块具有体积小、价格低、组网方便、适配模块多、数据接口多等特点，非常适合用于钢板仓单体数据发送与组网。数据从物联网模块通过手机后需要发送到云端服务器，目前的阿里云、电信云等产品成熟，可视化配置操作方便，适宜大数据收集与运算。在物联网模块与数据云服务器之间的通讯采用GPRS技术，这不仅是因为GPRS价格低廉、组网方便、不受空间和地理位置限制、信号强，且相对于无线Wi-Fi和有线网络来说，更容易布置和实施。对于多个钢板粮仓，ZigBee组网优势更加明显。其功率小，连接距离远，无线组网速度快，特别适合多个钢板仓之间数据互享通信和共同控制，只需要有一台物联网设备使用GPRS连接到云服务器，即可实现整个组团钢板粮仓集合控制，非常利于大农户多仓储粮结构，其成本低廉。传感器数据通过ZigBee技术的CC2530模块通过GPRS发送到云端服务器后，需要在云端服务器进行运算，即对数据进行处理和监测，这些数据将作为对钢板仓通风加热系统控制的重要依据，控制方式可为自动控制或人工控制。自动控制即根据粮食属性人为设置阈值，进行自动反馈控制，控制指令通过云端服务器直接经由GPRS数据传输到物联网模块，物联网模块对指令进行分析后反馈到执行端口对加热和鼓风装置进行控制。人工控制即在云端服务器设置阈值，经由GPRS或其他网络发送到手机APP端或短信通知中，由人工发送指令到云端服务器再到物联网控制端，也可自动控制与人工控制相结合，既有预警又有干预。

3.2 设计内容

使用物联网模块数据发送，主要实现数据由物联网模块到云端服务器的发送。对于农业合作社和大农户而言，钢板粮仓位置较偏远，多处于有线网络覆盖率低的农场农田地区，有线网络覆盖不足，考虑钢板粮仓设计要求，通过使用无线数据传输技术和物联网卡，降低了使用费用，增加了粮仓布置便利性。为满足用户手机APP登录控制操作需求，采用成本更加低廉和方便的GPRS传输技术。CC2530芯片运行功耗低、组网距离远、自动组网、接口多，既可以组接多个传感器，又可以通过数据端口连接GPRS模块进行数据的收发。多个物联网模块组网，只需要设置一台为协调器，其余设置为终端即可，其组网方式简单可靠。

传感器是物联网的感知端。对于粮食存储来说，温度、湿度等都会影响粮食存储，不同谷物如稻谷、玉米、大豆、小麦等对于存储要求也不尽相同。钢板仓内用传感器系统采集数据，通过优化传感器的布局规划，减少传感器数量，降低成本

。不同类型传感器布局也会影响数据采集可靠性和准确性，合理布局传感器，优化传感器配置，降低建设成本，实现经济效益的最大化。温湿度传感器可以采用DHT11或者DHT22等型号，其为数字式温湿度传感器，温湿度检测范围大，精度高，完全能够满足粮食存储需要。

本组收治的患者共20例,男14例,女6例,年龄在17-62岁之间,平均年龄(42.26±2.15),全部患者均符合肺脓肿的诊断标准。其中吸入性肺脓肿患者13例,血源性肺脓肿患者4例,继发性肺脓肿患者3例。患者的主要临床表现为起病急骤、高热、寒战、咳嗽、胸痛、气急等。

3.2.1 传感器分布优化

3.2.3 云端数据库设计与搭建

3.2.2 物联网模块数据发送

镇机关干部职工六十多人，班子成员和副科级以上就有十九个，宿舍楼只有二十四套。在当时，能不能入住是身份地位的象征，年龄、工龄、任职年限是分房（包括选择楼层、朝向）的依据。尽管只有五套分给中层干部，但接下来还有平房的重新分配，还有享受福利分房的“半边户”（配偶是农村户口）工作人员。尽管是平房，进门就是客厅，也是水泥地面白灰墙，还有防蚊子苍蝇的纱门纱窗，顶上钉着天花板，打架的老鼠掉不下来，屋后过道设有专门的厨房。这在当时是从单一的“宿舍”朝舒适、方便居住的生活理念的一个巨大转变。住房就像是贴在机关大门口的布告昭然若揭，一看就能分别出三六九等。

(6)稳定运行8 h后，对液硫外输泵(P-303)出口的液硫和气相分别取样，分析液硫中硫化氢含量、酸度以及气相中硫化氢含量。

3.2.4 手机APP开发

手机APP端主要接受云端数据库内容，实时显示粮仓内各类数据。使用JAVA语言，通过Eclipse软件开发Android手机端APP

。通过手机APP对数据实现了远程监控并进行远程控制，及时了解钢板粮仓内部情况，手机端APP控制下位通风系统，通过远程控制开启风机和加热模块，实现远距离控制，降低了劳动强度，有效解决农民老龄化问题。

对两组研究对象的诊断结果对比，CT扫描组中研究对象能够进行确诊的总共有13例，跟临床结果进行对比的确诊概率为65%；磁共振组中研究对象能够进行确诊的总共有18例，跟临床结果进行对比的确诊概率为90%。通过对比发现，两组之间的诊断结果的数值比较具有统计学的意义（P＜0.05）。

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